基于物质点法的浮顶式储油罐结构爆炸冲击响应研究

To overcome the calculation defects of finite element method and other traditional grid algorithms in gaseous detonation, its explosion wave, and structural coupling, a new way will be used to analyze the detonation wave impact of the flammable vapor cloud explosion on large oil tank structure based on the material point method and finite element method. Through perfected numerical simulations of the flammable vapor cloud detonation process with the material point method, the characteristics of gas explosion shock loading will be further studied by the simulation of the detonation process with the methods. Then, by using the material point method, the dynamic response of floating-roof oil tank under flammable vapor cloud detonation impacts will be simulated coupling with the finite element method, and the failure criterion of the oil tank wall will be discussed. Finally, by comparing simulation results with the experiments, the structure deformation feature and failure mechanism of floating-roof oil tank under gas explosion shock waves will be studied..This research integrated explosion dynamic mechanics and elastic-plastic theory of shell structure with advanced numerical calculation technology, to study the dynamic response of floating-roof oil tanks under gas explosive impacts. The failure mechanism of the floating-roof oil tank structures will be acquired, which provides a scientific basis for antiknock safety protection of large steel oil tanks.

鉴于有限元等传统网格算法在气相爆轰及其冲击波与结构耦合作用方面存在的计算缺陷，本项目拟结合物质点法和有限元法的求解优势，系统研究可燃蒸气云爆轰及其冲击波对大型储油罐结构的影响。采用物质点法完善可燃蒸气云爆轰的数值模拟，进一步掌握气体爆炸冲击荷载特征。同时，结合物质点法与有限元法，模拟钢制浮顶式储油罐在气体爆炸冲击作用下的动力响应，并给出罐壁结构的失效准则。最后，通过数值计算与试验结果的对比验证，研究总结浮顶式油罐在可燃气体爆炸冲击作用下的变形特征和破坏机理。通过本项目的研究，将爆炸动力学、壳体弹塑性理论与先进的数值计算方法有效结合，最终获得浮顶式油罐结构在爆炸冲击作用下的破坏机理，为大型钢制储油罐结构的抗爆安全防护提供科学依据。

大型钢制储油罐属于典型的大跨度薄壁壳体结构，在爆炸、冲击等高强短时荷载作用下，以罐壁为主的承载部位将产生难以修复的破坏。本项目基于储油罐在爆炸灾害中遭受破坏为背景，以大型钢制浮顶式储罐为对象，研究了其在气体爆炸冲击作用下的失效特征和破坏机理，以期最终建立一种针对储罐结构在冲击作用下失效特征的定性和定量描述。为此，本项目开展了以下研究内容：首先基于物质点法建立了研究可燃蒸气云爆轰过程的数值模型，为后续可燃气体爆轰冲击的数值求解和特征分析奠定基础。同时，采用随机物质点法分析了气体爆炸压力的随机性问题。在此基础上，建立了爆炸冲击作用下钢制浮顶式储罐结构的有限元数值模型，针对罐体在不同工况条件下变形、能量和动态应变的对比分析，得到了罐体结构在爆炸作用下的破坏机理和失效模式。最后，本项目设计完成了钢制罐体结构的落锤冲击试验，分析了简化的罐体试验模型在冲击作用下的破坏过程。此外，试验中还设计了两种防护结构形式，用来提高罐体抵抗冲击作用的能力，并进行了相应的冲击试验。目前，正在建立和修正相应的有限元数值模型，计划通过冲击试验与数值计算结果的对比，进一步获得储油罐罐壁结构的失效准则，以实现对罐壁失效特征的定量描述。